泥水平衡頂管技術(shù)的應(yīng)用

1、建筑機械化 2009(04 61 用戶篇頂管技術(shù)作為一種日益成熟的施工技術(shù),在 廣州城市建設(shè)的重力式排水管道的鋪設(shè)施工中, 發(fā)揮了很好的作用。頂管適用的土層很廣,特別 適用于粘土和粉土, 也適用于砂石、 卵石、 碎石、 風(fēng)化殘積土等土質(zhì)。頂管施工跟地質(zhì)情況密切相 關(guān),正確地選用施工機械和進(jìn)行施工過程控制是 整個工程成功的關(guān)鍵。1工程概況與施工難點位于廣州新石榴崗的一排污管道總長 3.3km 工程,屬于典型的珠江三角洲的工程地質(zhì)條件。 土層由上到下是:雜填土層, 厚 12m;淤泥、 淤 泥質(zhì)粘土層,黑色,厚 412m,含腐木貝殼等雜 物;中、細(xì)砂層,厚 0.53m,局部缺失或夾含 在淤泥中;亞粘

2、土層,灰黑色,厚度 416m。地 下水位距地面 0.52m。污水管采用 F 接口鋼筋混凝土頂管(過河部 分采用鋼管 ,管徑有 900、 1300、 1650、 1800、 2000,管埋深由 410m 不等。管線 經(jīng)過的地方有已建成通車的高速公路、正在施工 的公路(含高架橋 、居民區(qū)、農(nóng)田、河涌等。該工程的施工技術(shù)難點有:1 頂管穿越的土層基本上屬于飽和軟土, 以 淤泥為主, 具有高含水率、 高塑性、 高壓縮性、 高 靈敏度、低滲透性等性質(zhì),地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值不大于 100kPa。在淤泥中進(jìn)行頂管施工, 技術(shù)難度 大。淤泥流動性太大,頂管開挖的工作面很容易 失穩(wěn)坍塌。 淤泥的承載力低, 對管道導(dǎo)

3、向力不夠, 容易造成管道軸線偏移甚至失穩(wěn)。2 本工程的管道多次穿越公路的路基, 公路 的地基處理施工采用了大面積的地基加固,主要 是深層攪拌樁和袋裝砂井排水預(yù)壓處理,形成加 固后無側(cè)限抗壓強度達(dá)到 1.04.0MPa 的復(fù)合地 基土。3 頂管施工既要穿越淤泥層, 又要穿越復(fù)合 地基土。 必須同時面對兩種性質(zhì)截然不同的土質(zhì), 不解決這個問題,工程便難以順利進(jìn)行。4 頂管需要穿過土華涌, 頂管過河段長75m。 管道采用內(nèi)徑為 2000mm 的鋼管,鋼管頂離河 底最薄處的覆土厚度不足 1m, 無法滿足泥水平衡 頂管通常對覆土厚度的要求。出于農(nóng)業(yè)灌溉和通 航原因,無法采用作壩截流的方式進(jìn)行施工。2施工

4、方法選擇2.1頂管機類型的選擇頂管機是頂管的關(guān)鍵機具,按頂管機的不同 頂管分為幾個類型: 開放式頂管; 氣壓平衡 式頂管 ; 土壓平衡式頂管 ; 泥水平衡式頂管。 以下是幾種類型頂管的比較(表 1 。根據(jù)本工程地層地質(zhì)情況,大部分管道穿越泥水平衡頂管技術(shù)的應(yīng)用Application of slurry balance pipe-jacking technology王永康 / WANG Yong-kang(廣東省建筑工程機械施工有限公司,廣東廣州510500介紹了泥水平衡頂管技術(shù)在軟土、深層攪拌樁加固后的軟土和過河情況中的應(yīng)用。針對工程地質(zhì)情況選擇了適應(yīng)性強的泥水平衡式頂管機,并針對工程中出現(xiàn)的

5、施工難點,根據(jù)類似工程的施工經(jīng)驗 做好施工前的準(zhǔn)備工作。根據(jù)具體的土質(zhì)情況改進(jìn)了頂管機的性能,正確控制施工過程以確保施工 的順利進(jìn)行和質(zhì)量。頂管施工;泥水平衡;復(fù)合地基;河涌摘要關(guān)鍵詞A bout shield machine盾構(gòu)工程62 2009(04 CONSTRUCTIONMECHANIZATION 的地層為飽和淤泥層,抗剪強度小,部分地段穿 越中砂、細(xì)砂層。飽和淤泥在開放式、氣壓式頂 管中挖掘面難以自穩(wěn),因此開放式、氣壓式頂管 不適用于本工程。過河涌頂管,覆土厚度小,土 質(zhì)情況差,采用土壓平衡會有很大風(fēng)險。經(jīng)過對比土壓平衡、泥水平衡頂管施工方法 的特點,泥水平衡式頂管對地層地質(zhì)的適用性

6、較 好,總體施工成本較土壓平衡式頂管的低,并具 備了廣州地區(qū)類似地質(zhì)的應(yīng)用情況。泥水平衡式 頂管的施工方法為優(yōu),決定選擇采用泥水平衡的 M P D -2000系列頂管機(圖 1 。 2.2切削刀盤的選擇泥水平衡式頂管的頂管機是一種全斷面切削 式的掘進(jìn)機。切削刀盤位于頂管機前方,刀盤后 面是攪拌倉,刀盤具有破碎、切削、平衡挖掘面 土體的功能。當(dāng)穿越淤泥、砂層時,切削刀盤可 采用普通切削刀盤。當(dāng)穿越深層攪拌樁時,由于攪拌樁樁身強度大,對刀盤的破碎要求高,刀具的磨損也大,需 要采用加強型的具有強大破碎功能的切削刀盤。 這種加強型的大刀盤,正面密布刀具,稱為切削 刀,又分為刮刀和滾刀,數(shù)量有 162把

7、。切削刀 刀把焊接在大刀盤上,刀尖采用特種合金鑄成, 堅硬耐磨。切削刀屬于消耗性部件,磨損后需要 更換,為保證質(zhì)量由日本原廠進(jìn)口。加強型的大 刀盤增強了破碎土體的能力,堅硬的土體被加強 型刀盤充分破碎后,進(jìn)入泥水倉中進(jìn)一步破碎成 約 5cm 大小的碎塊,最后由泥水循環(huán)帶走。當(dāng)穿 越攪拌樁地層時,必須采用此加強型刀盤,保證 頂管機具備破碎沿途所有攪拌樁的能力,以免頂 進(jìn)中途出現(xiàn)無法掘進(jìn)需要更換刀具的問題。3施工過程W D 65W D 66段頂管的工作井(W D 65和 接收井(WD66分別設(shè)在高速公路的兩側(cè),兩井 之間距離 120m ,管外徑 2400m m (內(nèi)徑 2000mm ,埋深 6.5

8、8.0m。穿越的地層是淤泥或淤泥質(zhì)粘土層,其中頂進(jìn) 20m 后穿越約 80m 寬 的攪拌樁復(fù)合地基層。工作井和接收井決定采用不排水下沉的現(xiàn)澆 鋼筋混凝土沉井。鋼筋混凝土沉井的整體性好, 能承受較大的土壓力和頂力。 3.1頂進(jìn)前的施工準(zhǔn)備1洞口加固為應(yīng)付在軟土中頂管中可能 出現(xiàn)的問題,特別是在高水位、受擾動的飽和淤 表 1不同類型頂管比較圖 1泥水平衡式頂管機工具頭簡圖1-刮刀;2-滾刀;3-偏心刀盤;4-泥土倉;5-泥水倉;About shield machine盾構(gòu)工程 用戶篇泥層的情況下可能出現(xiàn)的問題,我們采用“門式 加固”的技術(shù)措施。在出洞洞口位置施打旋噴樁,加固洞口的土 體。因為沉井的

9、下沉擾動了周圍的土體,土的粘 聚力降低、抗剪強度下降,在頂管出洞時容易引 起頂管機的回退,挖掘面失穩(wěn),泥漿冒頂,頂管 機頂進(jìn)方向難控制導(dǎo)致 “抬頭” 或“扣頭” 現(xiàn)象。 在洞口位置加固了土體能有效防止這些問題的出 現(xiàn)或減輕它的程度。2 止水設(shè)備針對洞口水頭高, 土體流動性 大的特點,采用兩片“L”型止水橡膠板作為穿墻 管止水環(huán),安裝在工作井出洞洞口,具有制止地 下水和泥沙流入工作井的作用。先將預(yù)埋的穿墻 管鑿出,焊接位置清除干凈,吊裝止水環(huán)預(yù)制件 到安裝位置對中后焊牢。 整個穿墻管結(jié)構(gòu)重2.5t。 3安裝調(diào)試工作井上下設(shè)備安裝完畢后, 將頂管機(約18t吊裝下井, 將電力電纜、 信號線、 油管

10、接好,對整機進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)試、對整體式頂進(jìn) 構(gòu)架進(jìn)行調(diào)試、對泥水處理系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試、調(diào)好 測量系統(tǒng)的激光經(jīng)緯儀, 調(diào)試工作必須全面細(xì)致, 確保正式頂進(jìn)時設(shè)備的萬無一失。3.2進(jìn)洞和初始頂進(jìn)的過程控制頂管機脫離工作井向土體頂進(jìn)的過程稱為進(jìn) 洞,進(jìn)洞之后的一段頂進(jìn)稱為初始頂進(jìn)。進(jìn)洞和 初始頂進(jìn)是頂管的關(guān)鍵過程。人工鑿除混凝土護(hù)壁,鑿至旋噴樁加固的土 體,緊接著頂出推進(jìn)千斤頂,將環(huán)形頂鐵對準(zhǔn)頂 管機尾部,將頂管機緩緩?fù)七M(jìn)到穿墻管內(nèi),當(dāng)頂 管機的切削刀盤頂?shù)酵馏w時,停止頂進(jìn),安裝好 所有管線(電力電纜、信號線、油管、進(jìn)出泥漿 管、 觸變泥漿管 , 轉(zhuǎn)動刀盤, 向工作倉注入泥漿, 正式出洞。頂力系統(tǒng)由 4部分

11、組成,分別是油泵站、控 制臺、4個 320t 千斤頂、承托千斤頂?shù)募茏印．?dāng) 控制臺發(fā)出指令時,由油泵站向千斤頂組提供動 力, 4個同一型號的千斤頂同步頂進(jìn), 或者聽從指 令同步后退。當(dāng)頂力系統(tǒng)的千斤頂頂完一個行程,開始回 退準(zhǔn)備吊放頂鐵的時候,頂管機受土體的主動壓 力迅猛回彈, 此時用輔助千斤頂從后頂住頂管機, 防止頂管機回彈。接著吊放頂鐵,繼續(xù)頂進(jìn)。 頂管機的一半機體進(jìn)入土層時,吊裝第一節(jié) 鋼筋混凝土頂管,將頂管機與管材采用鋼板連接 牢固,加強頂管機的穩(wěn)定性,防止頂管機因自重 大而“叩頭” 。 之后安裝的 5節(jié)管材均采用鋼板連 接牢固,加強頂管機和管道的整體性。進(jìn)洞及初始頂進(jìn)時,密切觀測頂進(jìn)

12、的位置偏 差,每隔 5min 和每次吊放頂鐵時都測量一次, 做 到勤測勤糾偏。3.3正常頂進(jìn)的過程控制頂進(jìn)的程序如圖 2:圖 2頂進(jìn)工作程序4施工難點的解決4.1在軟土中頂進(jìn)在飽和淤泥層中頂進(jìn)時,管道的自重比它排 開的土體的重量輕,在飽和軟土中會受到上浮力 作用, 且越大管徑的管受到的上浮力越大。 同時, 由于頂管機較重則會在淤泥中下沉。兩者相差大 時會造成管道脫節(jié),同時管道扭曲程度越大對頂 進(jìn)方向的控制越難。當(dāng)因故停機 5h后, 經(jīng)觀測發(fā)現(xiàn)頂管機向下沉 6cm,頂進(jìn)方向下移。于是緊急開機頂進(jìn),同時 將頂管機糾偏開至最大,方制止了頂進(jìn)方向的向 下偏移。由于在淤泥中出現(xiàn)的這種現(xiàn)象,必須密切觀 A

13、 bout shield machine盾構(gòu)工程建筑機械化 2009(04 63 測頂進(jìn)的偏移情況。 當(dāng)出現(xiàn)偏移時, 及早糾偏, 遵 循“勤測勤糾緩糾”的原則進(jìn)行糾偏;且高程糾 偏優(yōu)先于方向糾偏。精心安排施工,出現(xiàn)問題及 時解決,防止頂進(jìn)過程中停機時間過久,一旦停 機時間過長則可能導(dǎo)致頂進(jìn)方向難以控制甚至管 道脫節(jié)的危險。必須將頂管機與隨后幾節(jié)管材采 用剛性連接牢固,一能防止頂管機與管材脫節(jié)并 使頂進(jìn)方向穩(wěn)定,二能加強頂管前端的整體性并 減輕頂管機的下沉趨勢。軟土的力學(xué)性能差,密實度小,易滑動。當(dāng) 頂管機的平衡壓力大于土體的被動土壓力時,會 造成地面隆起, 挖掘面前面土體滑動, 泥漿冒頂。 當(dāng)

14、頂管機的平衡壓力小于土體的主動土壓力時, 又容易造成地面沉降大,挖掘面失穩(wěn)。因此,我們調(diào)低頂管機的泥水倉的壓力,調(diào) 節(jié)為 50kPa 左右,并提高泥漿濃度。因為濃泥漿 在挖掘面形成的泥皮有很好的護(hù)壁穩(wěn)定作用。泥 漿的相對密度為 1.2。4.2過河涌頂管頂管過河涌段長 75m ,管 道 采 用 內(nèi) 徑 為 2000mm 的鋼管,鋼管頂離河底最薄處的覆土 厚度不足 1m, 無法滿足泥水平衡頂管通常的對覆 土厚度的要求。出于農(nóng)業(yè)灌溉和通航原因,無法 采用作壩截流的方式進(jìn)行施工。過河涌的土質(zhì)是淤泥質(zhì)土層, 松散、 密度差, 易被有壓力水流沖起, 河底易出現(xiàn)冒涌泥漿現(xiàn)象。 過河頂管的風(fēng)險大, 總原則是

15、“精心準(zhǔn)備, 速 戰(zhàn)速決” 。 當(dāng)初始頂進(jìn)時, 有加緊施工的想法, 頂 進(jìn)卻出現(xiàn)較大的向上偏移的趨勢,連續(xù)向下糾偏 都糾正不下來。經(jīng)分析原因如下: 主要是河床 土質(zhì)差,被動土壓力小,覆土淺已被擾動,在快 速頂進(jìn)的時候頂進(jìn)方向極易向上偏。 鋼管管徑大而自重小,土質(zhì)情況決定了鋼管在河床底受到 較大的上浮力的影響?？焖夙斶M(jìn)又加劇了這種趨 勢。因此當(dāng)即決定采取措施如下: 立即停止頂 進(jìn)。 計算鋼管受到的上浮力的大小, 在已頂入 的鋼管和將施工的鋼管中進(jìn)行壓載,壓載物采用 鐵塊和沙包。 在頂管機內(nèi)及隨后一節(jié)鋼管內(nèi)壓 載鐵塊,加快頂管機下沉。 待頂進(jìn)方向回復(fù)正 常水平后,減慢頂進(jìn)速度,將頂進(jìn)速度調(diào)整至合 適范圍。事實證明當(dāng)頂進(jìn)速度慢下來時,頂進(jìn)不 再往上偏。當(dāng)頂進(jìn)速度為 23m/h 較為合適。 采用泥漿護(hù)壁的輔助措施。首先把頂管機平 衡壓力設(shè)定在合適范圍內(nèi),施工時就不會引起河 床土層下產(chǎn)生較大的隆起和河床沉陷,這個壓力 大概是 30kPa。 泥水壓力要大于地下水的承壓力, 采用比重約 1.2的濃泥漿注入泥水倉。含有一定 濃度的泥水經(jīng)給水泵在給水壓力增減閥的調(diào)整下, 進(jìn)入開挖面上形成泥皮。這種泥皮阻止泥水向土 體的繼續(xù)滲透,也防止前方軟泥的坍塌,